趙冬玲　林尚緯　楊建宇,2　張　超,2　何珊珊　張婷婷

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 2.國土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100035)

0　引言

土地整治，特別是耕地整治在保證中國糧食安全和實(shí)現(xiàn)耕地總量動(dòng)態(tài)平衡等方面起到了巨大作用[1]。土地整治潛力評價(jià)是編制土地整治規(guī)劃的重要前提和基礎(chǔ)，對確定區(qū)域土地整治的目標(biāo)與方針、劃定土地整治區(qū)和指導(dǎo)區(qū)域土地整治活動(dòng)等具有重要的意義[2-5]。2016年12月23日國務(wù)院批復(fù)的《全國土地整治規(guī)劃(2016—2020年)》中提出了“十三五”時(shí)期全國經(jīng)過土地整治的基本農(nóng)田質(zhì)量平均提高1個(gè)等級(jí)，全面提升耕地?cái)?shù)量質(zhì)量保護(hù)，落實(shí)最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度，開展農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，努力補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)耕地[6]。由此可見，耕地整治質(zhì)量潛力測算是新時(shí)期、新規(guī)劃下開展土地整治的重點(diǎn)研究內(nèi)容之一。

國外已有研究成果對耕地整治質(zhì)量潛力進(jìn)行了探索，為耕地質(zhì)量潛力評價(jià)提供了借鑒。國外土地整治歷史可追溯到18世紀(jì)，并且積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，其中德國在土地整治技術(shù)方面具有領(lǐng)先地位，早在20世紀(jì)80年代已普遍應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)建立土地整治信息系統(tǒng)(LE-GIS)，并且能運(yùn)用GIS技術(shù)對整治前后的地塊價(jià)值進(jìn)行評估，其指標(biāo)體系構(gòu)建重點(diǎn)考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等多個(gè)方面，通過采用指標(biāo)評價(jià)法和應(yīng)用GIS對土地景觀結(jié)構(gòu)在某種程度上受到土地整治的影響研究，表明不同的時(shí)空尺度下土地景觀結(jié)構(gòu)與土地整治工程的聯(lián)系[7-9]。我國土地整治雖起步較晚，但相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了大量研究，從研究思路上看，起初只是對耕地整理潛力測算進(jìn)行簡單的研究探索[10-11]，其中主要代表是基于省級(jí)農(nóng)用地分等數(shù)據(jù)，采用農(nóng)用地分等自然質(zhì)量參評因素及權(quán)重進(jìn)行土地整治質(zhì)量評價(jià)[12]，隨后出現(xiàn)了在農(nóng)用地分等計(jì)算體系中，通過甄別敏感因素及穩(wěn)定因素，增加自然質(zhì)量和利用水平修正因素，并以此建立新的質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系[13-14]；從研究方法上看，主要包括耕地質(zhì)量指數(shù)加權(quán)法、最高等別法、耕地產(chǎn)能評價(jià)法、修正法、預(yù)評價(jià)法、熵權(quán)法、因素組合法[15-20]、熱點(diǎn)分析法等[21-23]。

綜合分析國內(nèi)外研究進(jìn)展可知，現(xiàn)階段，土地整治工程在田塊平整、田間道路、農(nóng)田林網(wǎng)興建等改善農(nóng)田生產(chǎn)環(huán)境等方面所起的作用日益突出[24]。如何開展促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、縮小城鄉(xiāng)差距、增加農(nóng)民收入、保護(hù)和改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活環(huán)境的綜合整治已成為研究的焦點(diǎn)。但相關(guān)領(lǐng)域始終沒有一套靈活、適用性廣泛的評價(jià)方法和指標(biāo)體系，且基于潛力計(jì)算方面的分析評價(jià)方法較少，傳統(tǒng)的因素組合法只考慮了得分低于目標(biāo)值的因素，并未考慮其可改造程度，導(dǎo)致組合計(jì)算過程繁瑣且對結(jié)果判定造成了干擾。并且修正的評價(jià)體系無法揭示土地整治工程提升耕地質(zhì)量等別的變化情況，測算結(jié)果往往夸大了土地整治措施對耕地質(zhì)量潛力提升的能力。

本文針對上述研究方法的不足，提出改進(jìn)的因素組合法，通過建立一套可改造因素組合判斷流程，找出符合研究區(qū)實(shí)際情況的可改造限制因素，進(jìn)而測算出耕地自然質(zhì)量潛力；其次，利用物元分析模型對構(gòu)建的土地利用系數(shù)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算，最后測算出耕地利用質(zhì)量潛力，從而指導(dǎo)土地整治規(guī)劃，為最終實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量提升提供技術(shù)支持。

1　研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1　研究區(qū)域概況

涿州市地處河北平原北部，太行山東麓平原，地理位置為115°44′～116°15′E、39°21′～39°36′N。地質(zhì)構(gòu)造屬太行山山洪沖積扇，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地形平坦。境內(nèi)地形總體特征是西高東低，全境地處太行山前傾斜區(qū)，由西北向東南傾斜，最高海拔69.4 m，最低海拔19.8 m，地面坡降1/660左右。地貌形態(tài)受拒馬河沖積影響，南北各有二級(jí)階地，高差2～4 m不等。屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)顯著，溫差變化大，四季分明，年平均溫度11.5℃，年平均降水量547.3 mm。市內(nèi)河流較多，轄區(qū)內(nèi)有永定河、白溝河、小清河、琉璃河、北拒馬河、胡良河等，屬海河流域，大清河水系。近年來地下水位持續(xù)下降，降水量減少，河內(nèi)常年無水，區(qū)內(nèi)大部分灌溉設(shè)施老舊。

涿州市也是河北省耕地質(zhì)量等別監(jiān)測評價(jià)所選的重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域之一，全縣總面積75 127.85 hm2，農(nóng)用地53 046.39 hm2(其中耕地43 986.51 hm2，園地2 016.53 hm2，林地4 373.31 hm2，其他農(nóng)用地2 670.04 hm2)。涿州市2013年度耕地質(zhì)量等別年度更新結(jié)果顯示，全市耕地共分為8個(gè)國家級(jí)自然質(zhì)量等別，分別為8～15等，其中水田452.53 hm2、水澆地35 739.62 hm2、旱地7 959.73 hm2。涿州市耕地自然質(zhì)量等別及位置圖如圖1所示。

圖2　研究流程圖Fig.2　Flow chart of study

圖1　涿州市耕地自然質(zhì)量等別及位置圖Fig.1　Cultivated land natural quality and location map of Zhuozhou City

1.2　數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要包括涿州市2013年1∶10 000耕地質(zhì)量等別成果數(shù)據(jù)、2011年1∶10 000土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及涿州市GDEMV2 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。另外，輔助資料還包括：《涿州市土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)》、《河北省涿州市2013年度耕地質(zhì)量等別年度更新評價(jià)分析報(bào)告》、涿州市行政區(qū)劃圖、林業(yè)部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

2　研究思路與方法

2.1　研究思路

首先選取適當(dāng)尺度的網(wǎng)格，將耕地分等單元和土地利用矢量數(shù)據(jù)網(wǎng)格化成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合GB/T 28407—2012《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》[25])，利用改進(jìn)的因素組合法，分析涿州市土地整治可改造耕地自然質(zhì)量限制因素[26-28]，并對可改造限制因素通過定性分析后進(jìn)行等級(jí)提升，得到提升后的自然等指數(shù)以及自然質(zhì)量潛力。然后，根據(jù)選取的指標(biāo)因子構(gòu)建土地利用系數(shù)指標(biāo)體系，采用層次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)[29]賦予權(quán)重，計(jì)算整治前每個(gè)網(wǎng)格的土地利用系數(shù)。最后通過物元分析法找出利用水平較低的區(qū)域并提升相對應(yīng)的指標(biāo)值得分，計(jì)算整治后每個(gè)網(wǎng)格的利用系數(shù)和整治后的利用等指數(shù)，進(jìn)而根據(jù)整治前后利用等指數(shù)的差值計(jì)算出耕地利用質(zhì)量潛力。具體分析流程見圖2。

2.2　自然質(zhì)量潛力測算方法

傳統(tǒng)的因素組合法大都直接對農(nóng)用地分等因素進(jìn)行全因素組合，然而該方法忽略了因素的可改造程度，不僅導(dǎo)致計(jì)算量大，組合過程復(fù)雜化，且對評價(jià)結(jié)果造成了干擾。根據(jù)TD/T 1013—2013《土地整治項(xiàng)目驗(yàn)收規(guī)程》可知，有效土層厚度、鹽漬化程度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤 pH 值、表層土壤質(zhì)地、排水條件和灌溉保證率是耕地整治質(zhì)量驗(yàn)收內(nèi)容，經(jīng)過土地整治工程后，其屬性可以發(fā)生突變[30-31]，其余分等因素在整治過程中，都是在資金、技術(shù)現(xiàn)狀以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)背景下，近期開發(fā)難度大，生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，并且不適合大面積推廣。以此為理論基礎(chǔ)，將上述7種因素確定為土地整治可改造因素，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行因素組合尋找限制因素。

2.2.1可改造因素組合

根據(jù)涿州市2013年度耕地質(zhì)量等別補(bǔ)充完善成果可知，涿州市耕地質(zhì)量分等因素包括4個(gè)：灌溉保證率、表層土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、剖面構(gòu)型，分別有4、3、5、7個(gè)分級(jí)水平(表1)，其中可改造因素有3個(gè)。將農(nóng)用地分等單元可改造因素得分用相應(yīng)的代碼表示，因素得分(10～100分)分別對應(yīng)1、2、3、4、5、6、7、8、9、+這10個(gè)代碼，然后按照表1中分等因素的順序把3個(gè)因素得分代碼合并到一起，作為自然質(zhì)量評價(jià)單元可改造因素組合類型標(biāo)識(shí)。例如某評價(jià)單元可改造因素組合類型標(biāo)識(shí)為“398”，則說明該單元灌溉保證率得分為30分，對應(yīng)無灌溉條件，表層土壤質(zhì)地得分為90分，對應(yīng)表層土壤以粘土為主，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)得分為80分，對應(yīng)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%，以此類推得到所有評價(jià)單元的3個(gè)因素的全部組合類型。

表1　涿州市農(nóng)用地分等因素及其分級(jí)分值Tab.1　Arable land grading indicators and their classification and scores in Zhuozhou City

2.2.2限制因素組合

由于作物生長取決于生活環(huán)境對其最適生長環(huán)境因素值的滿足程度(本文用因素得分標(biāo)識(shí))，滿足程度小的則是影響作物生長的主要限制因素，也是影響農(nóng)用地生產(chǎn)能力發(fā)揮的主要原因。滿足程度最小的為第一限制因素，即最大限制因素，次之為第二限制因素，依次類推[32]。根據(jù)這一原則和表1分級(jí)分值標(biāo)準(zhǔn)，分等因素得分在50及以下時(shí)，該因素就會(huì)對作物生長有主要限制作用。如土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.6%(即有機(jī)質(zhì)得分20分)屬于養(yǎng)分貧瘠；表層土壤質(zhì)地為礫質(zhì)土、土壤重度以上鹽漬化、無灌溉排水條件已嚴(yán)重影響農(nóng)用地耕作。因此將分等因素得分在10～50分(標(biāo)識(shí)代碼為1、2、3、4、5)之間的視為限制因素，然后再從上述可改造因素組合中篩選出包含限制因素的組合確定為可改造限制因素組合類型，以此作為本文的研究對象。

2.2.3自然質(zhì)量潛力測算

根據(jù)各指定作物的光溫生產(chǎn)潛力指數(shù)和產(chǎn)量比系數(shù)，結(jié)合指定作物的分等因素權(quán)重、因素指標(biāo)分值，按照《規(guī)程》計(jì)算整治前自然質(zhì)量等指數(shù)。然后，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，綜合運(yùn)用GIS、遙感等定性定量方法分析自然質(zhì)量評價(jià)因素中可改造限制因素及其改造程度，對整治后耕地自然質(zhì)量進(jìn)行重新評價(jià)，得到整治后自然等指數(shù)，最后根據(jù)整治前后自然等指數(shù)差值獲取耕地整治自然質(zhì)量潛力，計(jì)算公式為

(1)

(2)

Ri=R′ij-Rij

(3)

式中k——分等因素編號(hào)s——指定作物數(shù)量

r——分等因素的個(gè)數(shù)

wk——第k個(gè)分等因素的權(quán)重

βj——第j種作物的產(chǎn)量比系數(shù)

atj——第j種作物的光溫生產(chǎn)潛力指數(shù)

fk、f′k——整治前、后可改造限制因素對應(yīng)的指標(biāo)分值

Rij、R′ij、Ri——第i單元第j種指定作物整治前、后的自然質(zhì)量等指數(shù)和自然質(zhì)量潛力

2.3　利用質(zhì)量潛力測算方法

2.3.1土地利用系數(shù)計(jì)算

農(nóng)用地分等因素只考慮了土壤立地條件以及灌排基礎(chǔ)設(shè)施等影響因素，未充分認(rèn)識(shí)到土地整治工程措施對耕地生產(chǎn)條件改善等方面帶來的影響，也就是《規(guī)程》中所提到的土地利用系數(shù)，同時(shí)還忽略了綠色生態(tài)建設(shè)、“田水路林村”全域綜合整治的重要意義。因此本文結(jié)合已有土地整治工程對耕地利用質(zhì)量的影響，從耕地空間格局、耕作便利水平、田間基礎(chǔ)設(shè)施3個(gè)因素層出發(fā)，補(bǔ)充耕地面積比、田塊方度指數(shù)、集中連片度、道路通達(dá)度、耕作便利度、田間道路密度、田間溝渠密度、防護(hù)林比率等8個(gè)耕地整治可改造的生產(chǎn)環(huán)境條件因素，構(gòu)建基于耕地生產(chǎn)條件可改善和綜合考慮生產(chǎn)、生活、生態(tài)作用的土地利用系數(shù)指標(biāo)體系(表2)，以此來修訂已有土地利用系數(shù)。以網(wǎng)格為評價(jià)單元[33]，以耕地自然等指數(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用AHP法并通過一致性檢驗(yàn)，經(jīng)多位專家綜合論證后確定各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、得分及權(quán)重，加權(quán)修正得到新的土地利用系數(shù)，計(jì)算公式為

(4)

式中m——指標(biāo)體系包含的指標(biāo)個(gè)數(shù)

Gi——第i個(gè)網(wǎng)格單元的土地利用系數(shù)

wij——第i個(gè)網(wǎng)格內(nèi)第j個(gè)土地利用系數(shù)指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重

fij——第i個(gè)網(wǎng)格內(nèi)第j個(gè)土地利用系數(shù)指標(biāo)對應(yīng)的分值(10～100分之間)

表2　基于耕地生產(chǎn)條件可改善的土地利用系數(shù)指標(biāo)體系及計(jì)算方法Tab.2　Indicators and their weights of cultivated land utilization level in Zhuozhou City

注：指標(biāo)取向“+”表示指標(biāo)層的指標(biāo)值越大則綜合評價(jià)分值越大，“-”則反之。

2.3.2物元分析法

物元分析是在處理某些條件下，用通常的方法無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的不相容問題的一種分析方法。在物元分析中，所描述的事物M及其特征C和量值X組成物元R[34]，其表達(dá)式為

R=(M，C，X)

(5)

如果事物有多個(gè)特征，則其表達(dá)式為

(6)

本文對土地利用系數(shù)指標(biāo)體系中各指標(biāo)值進(jìn)行物元分析，依次確定物元矩陣、經(jīng)典域?qū)ο笪镌仃嚒⒐?jié)域?qū)ο笪镌仃?，最后?jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)確定隸屬度并根據(jù)隸屬度高低劃分等級(jí)，等級(jí)低的地區(qū)表示相應(yīng)指標(biāo)值較低。根據(jù)等級(jí)分布情況，對低等級(jí)分布區(qū)域進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的土地整治建議。具體計(jì)算過程為

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中Wi——對應(yīng)指標(biāo)Ci的權(quán)重

a、b——事物每個(gè)屬性的最小值和最大值

ρ(X,X1)——點(diǎn)X與待判物元R的節(jié)域區(qū)間的距

ρ(X,X0)——點(diǎn)X與待判物元R的經(jīng)典域區(qū)間的距

Ro、Rp、RB——待判物元矩陣、經(jīng)典域矩陣和節(jié)域物元矩陣

Mo、Mp、B——待判事物名稱、評價(jià)等級(jí)、評價(jià)等級(jí)的全體

Kj(Xi)——待判物元R各指標(biāo)關(guān)于各評價(jià)等級(jí)j的歸屬程度，并以此數(shù)值的大小來確定該物元的等級(jí)，關(guān)聯(lián)函數(shù)的值域?yàn)?-∞，+∞)，若Kj(Xi)=maxKj(Xi)(j=1，2，…，m)，則待判物元第i個(gè)指標(biāo)隸屬于等級(jí)j

Kj(Mi)——土地利用系數(shù)指標(biāo)單元關(guān)于等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度，若Kj(Mi)=maxKj(Mi)(j=1，2，…，m)，則Mi屬于等級(jí)j

2.3.3利用質(zhì)量潛力測算

以整治前后耕地利用等指數(shù)的差值來表示耕地整治利用質(zhì)量潛力。即通過2.2.3節(jié)和2.3.1節(jié)中計(jì)算出的自然質(zhì)量等指數(shù)和土地利用系數(shù)，得到整治前利用等指數(shù)，其計(jì)算方法參考《規(guī)程》。然后，經(jīng)過物元模型計(jì)算得到利用系數(shù)低等級(jí)分布區(qū)，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，對隸屬度級(jí)別為2、3的單元保持不變(1級(jí)利用系數(shù)最低，3級(jí)最高，2級(jí)次之)，對級(jí)別為1的評價(jià)單元，結(jié)合緩沖區(qū)分析、坡度分析、已有耕地整治項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)等分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的等級(jí)提升，重新計(jì)算整治后的土地利用系數(shù)，進(jìn)而得到整治后耕地利用等指數(shù)。最后根據(jù)整治前后利用等指數(shù)差值獲取耕地整治利用質(zhì)量潛力，即

Yi=G′iR′ij-GiRij

(12)

式中Yi——第i個(gè)網(wǎng)格單元耕地利用質(zhì)量潛力

G′i——整治后土地利用系數(shù)

3　結(jié)果與分析

3.1　數(shù)據(jù)預(yù)處理

研究區(qū)采用400 m×400 m進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用ArcGIS軟件中的FishNet工具創(chuàng)建網(wǎng)格，并經(jīng)過空間連接和空間疊加后，建立網(wǎng)格與耕地、線狀地物等多源數(shù)據(jù)的空間關(guān)系，為評價(jià)指標(biāo)的網(wǎng)格化計(jì)算做準(zhǔn)備，研究區(qū)共劃分為4 338個(gè)網(wǎng)格單元，如圖3所示。

圖3　涿州市耕地質(zhì)量潛力評價(jià)網(wǎng)格單元Fig.3　Potential evaluation grid of cultivated land quality of Zhuozhou City

3.2　自然質(zhì)量潛力

3.2.1可改造限制因素組合

理論上，涿州市農(nóng)用地分等單元的可改造因素組合類型應(yīng)是3個(gè)因素不同水平組合成的60種。經(jīng)匯總分析發(fā)現(xiàn)，可改造因素的全因素組合類型實(shí)際只有19種，其中符合條件的限制因素組合類型有8種(3+6、3+8、375、376、378、396、398、775)，其分布如圖4所示。

圖4　可改造限制因素組合類型分布Fig.4　Convertible restriction factor combination type distribution

由圖4可知，涿州市耕地可改造限制因素組合的分布較為零散，其8種組合中有6種屬于灌溉保證率單限制因素，1種屬于土壤有機(jī)質(zhì)含量單限制因素(圖中紅色區(qū)域)，1種屬于“灌溉保證率+土壤有機(jī)質(zhì)含量”雙限制因素，雙限制因素集中分布在百尺竿鎮(zhèn)和東城坊鎮(zhèn)交界處，且面積相對較小(圖中紫色區(qū)域)。因此可得出結(jié)論，涿州市耕地自然條件大都受制于灌溉保證率和有機(jī)質(zhì)含量這兩個(gè)限制因素的影響，且灌溉保證率是其主導(dǎo)限制因素，全域均受到不同程度的影響，土地整治工程應(yīng)對其進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

3.2.2潛力測算及分級(jí)

通過ArcMap的疊加分析工具，將可改造限制因素單元與非限制因素單元圖層進(jìn)行疊加對比分析可知，灌溉保證率限制因素在百尺竿鎮(zhèn)、東城坊鎮(zhèn)、雙塔街道、義和莊鄉(xiāng)4個(gè)地區(qū)90%的耕地均為一般滿足，即因素分值代碼為7，而其他11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)對應(yīng)的灌溉保證率大都為基本滿足，即因素分值代碼為9，據(jù)此對以上百尺竿等4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)的灌溉保證率限制因素得分從代碼3提升到7，即提高1個(gè)等級(jí)，松林店等11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)從3提升到9，即提高2個(gè)等級(jí)；有機(jī)質(zhì)限制因素分布較為集中，且面積相對較小，其周圍耕地的有機(jī)質(zhì)含量均高于20%，即高出1個(gè)等級(jí)，因此可借鑒其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)近年來肥力提升效果顯著的經(jīng)驗(yàn)，如通過使用無污染有機(jī)肥，提升村民綠色種植觀念，采用深松淺翻、深施肥料、糧豆輪作套作的保護(hù)性耕作制度、農(nóng)家肥等培肥措施使其提高1個(gè)等級(jí)。

按照2.2.3節(jié)相關(guān)公式計(jì)算整治前后全市耕地自然等指數(shù)及提升潛力，提升前后部分因素組合類型及自然等指數(shù)如表3所示。平均自然等指數(shù)從之前的1 378～2 521變?yōu)? 851～2 521，自然等指數(shù)平均提升174，即0.87個(gè)省自然等級(jí)。國家自然等指數(shù)平均提升211，即0.53個(gè)國家自然等級(jí)。

表3　整治前后可改造限制因素組合及自然等指數(shù)Tab.3　Convertible restriction factor combination and physical quality grade index before and after land consolidation

按照自然間斷點(diǎn)分級(jí)法劃分等級(jí)，結(jié)果如圖5，其中1級(jí)表示自然等指數(shù)潛力區(qū)間為0～90，2級(jí)為90～275，3級(jí)為275～473。涿州市土地整治自然質(zhì)量潛力高值區(qū)集中分布在西部、東北部，少量分布在北部和南部，涉及到的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要有東城坊鎮(zhèn)、百尺竿鎮(zhèn)、義和莊鄉(xiāng)、東仙坡鎮(zhèn)、碼頭鎮(zhèn)、林家屯鄉(xiāng)、高官莊鎮(zhèn)。其余地區(qū)提升潛力較低，且分布零散，可針對性的對灌排等老舊基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改善，通過資金投入和更新灌排設(shè)施，采取節(jié)水灌溉，南水北調(diào)，提高農(nóng)民綠色種植意識(shí)，鼓勵(lì)使用有機(jī)肥等措施進(jìn)行改善。

圖5　自然質(zhì)量潛力分布Fig.5　Natural quality potential distribution

3.3　利用質(zhì)量潛力

3.3.1物元分析計(jì)算

首先按照式(4)計(jì)算整治前土地利用系數(shù)，然后對耕地空間格局、耕作便利水平、田間基礎(chǔ)設(shè)施這3類指標(biāo)進(jìn)行物元分析計(jì)算，經(jīng)典域矩陣的3個(gè)等級(jí)分別為M1、M2、M3，節(jié)域矩陣為H，具體為

物元分析等級(jí)劃分可視化結(jié)果如圖6所示，其中1級(jí)代表低值區(qū)域，3級(jí)代表高值區(qū)域，可見涿州市耕地空間格局和便利水平基本滿足要求，著重對低值區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的整治工程。

圖6　物元分析結(jié)果Fig.6　Results of matter element analysis

空間格局物元分析如圖6a，1級(jí)綠色區(qū)域綜合關(guān)聯(lián)度較低，表現(xiàn)為耕地占地面積較少，地塊破碎，連片性差，這些地區(qū)建議進(jìn)行土地平整與改造，增加有效耕地面積，歸并零散地塊，加強(qiáng)耕地集中連片性建設(shè)，使之達(dá)到“田成方”的效果。耕作便利水平物元分析如圖6b，整體處于中低等水平，3級(jí)零散分布，1級(jí)綠色低值區(qū)表現(xiàn)為道路通達(dá)度低，田間道路分布較少，耕作不夠便利，應(yīng)對這些地區(qū)進(jìn)行田間道路修建，損毀路面翻修，完善基礎(chǔ)交通道路網(wǎng)覆蓋，使之達(dá)到“路相通”的效果。田間基礎(chǔ)設(shè)施物元分析如圖6c，整體處于低等水平，實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)這些地區(qū)溝渠設(shè)施老舊，輸水管道等灌溉水利設(shè)施不足，少數(shù)地區(qū)發(fā)達(dá)，且防護(hù)林分布較少，難以起到強(qiáng)有力的防護(hù)功效，應(yīng)著重加強(qiáng)水利設(shè)施興建，營造綠色防護(hù)林，達(dá)到“渠相連、林成網(wǎng)”的高效生態(tài)農(nóng)業(yè)。

3.3.2潛力測算及分級(jí)

按照式(4)計(jì)算土地利用系數(shù)Gi，結(jié)果介于0.1～0.72之間。借鑒已有土地整治工程項(xiàng)目對當(dāng)?shù)剡M(jìn)行的改造，并結(jié)合現(xiàn)有的GIS、RS等技術(shù)，對上述低等級(jí)(1級(jí))區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐恋卣喂こ?，再按照?4)計(jì)算整治后的土地利用系數(shù)G′i，G′i介于0.21～0.72之間，最后按式(12)計(jì)算利用質(zhì)量潛力。整治后的利用等指數(shù)平均值從790.9提高為957.7，提高166.8，即0.83個(gè)等級(jí)。國家利用等指數(shù)平均提高145，即0.73個(gè)利用等。

通過耕地平整、田塊歸并、修建田間道路等工程可使耕地空間格局更加集中和連片，耕地空間形態(tài)均勻，越有利于集中連片生產(chǎn)耕作，所以方度指數(shù)提高2級(jí)，連片性提高1級(jí)；道路通達(dá)度表征了耕地距離運(yùn)輸公路的遠(yuǎn)近，它是耕作便利度的先決條件，只有將人力物力有保障的運(yùn)輸?shù)教锏兀拍鼙ＷC提高耕地利用水平，且結(jié)合實(shí)地調(diào)研可知道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提升幅度較大，技術(shù)條件成熟，因此提高2級(jí)；耕作便利度表征的是田間道路通達(dá)的田塊數(shù)量，此指標(biāo)相對影響范圍較小，因此提高1級(jí)；對基礎(chǔ)設(shè)施因素層下的3個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行分析，通過對比高分二號(hào)遙感影像和實(shí)地調(diào)查，低值區(qū)內(nèi)的道路和溝渠分布較少，且溝渠設(shè)施老舊，溝渠建設(shè)還需考慮水源、電力設(shè)施等分布；將防護(hù)林圖層和耕地圖層疊加分析可知，涿州市僅有少數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)設(shè)有防護(hù)林，經(jīng)過耕地整治，各地區(qū)的防護(hù)林可以得到明顯提升。具體提升方案如表4。

利用質(zhì)量潛力分級(jí)結(jié)果如圖7，其中1級(jí)表示利用等指數(shù)潛力區(qū)間為0～60，2級(jí)為60～162，3級(jí)為162～390。由圖可見，涿州市耕地利用質(zhì)量潛力高值區(qū)聚集在西部和東部，北部少量分布，主要包含孫家莊鄉(xiāng)、松林店鎮(zhèn)、東城坊鎮(zhèn)、百尺竿鎮(zhèn)、東仙坡鎮(zhèn)、碼頭鎮(zhèn)、義和莊鄉(xiāng)、刁窩鄉(xiāng)、豆莊鄉(xiāng)，潛力低值區(qū)主要分布在南部，包括林家屯鄉(xiāng)、高官莊鎮(zhèn)以及豆莊鄉(xiāng)中南部，可針對性的進(jìn)行田塊平整、補(bǔ)修破損道路、新建道路和溝渠完善路網(wǎng)和渠網(wǎng)密度，增加防護(hù)林，完善田間電力、水利等基礎(chǔ)設(shè)施。

表4　分級(jí)方法與提升方案Tab.4　Classification method and lifting scheme

圖7　利用質(zhì)量潛力分布Fig.7　Utilization quality potential distribution

4　結(jié)論

從耕地自然條件和利用條件兩方面對影響耕地質(zhì)量的因素進(jìn)行分析，充分結(jié)合研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀和耕地質(zhì)量等別更新數(shù)據(jù)，通過改進(jìn)的因素組合法合理高效的找出可改造限制因素，選取和當(dāng)?shù)厣a(chǎn)利用水平息息相關(guān)的8個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了土地利用系數(shù)指標(biāo)體系，并引用物元分析法對其進(jìn)行評價(jià)劃分了高、中、低3個(gè)等級(jí)區(qū)，再根據(jù)各指標(biāo)針對性的提出合理整治意見。

(1)耕地自然質(zhì)量和利用水平可以定性定量地評價(jià)耕地整治潛力大小，為土地整治潛力評價(jià)方面的研究提供了思路借鑒。

(2)改進(jìn)的因素組合法能夠準(zhǔn)確地找出涿州市自然質(zhì)量可改造限制因素，克服了傳統(tǒng)因素組合法對土地整治難以改進(jìn)的分等因素的重復(fù)組合計(jì)算，提高了方法的適用范圍，有助于明確整治工程方向；建立的土地利用系數(shù)指標(biāo)體系綜合考慮生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能，評價(jià)更為全面客觀；物元分析法對各指標(biāo)進(jìn)行綜合關(guān)聯(lián)度分析后，能夠準(zhǔn)確地劃分各因素層等級(jí)，找出低等級(jí)分布區(qū)，再結(jié)合最新的GIS等空間分析方法，能夠很好地指導(dǎo)土地整治工程。

(3)涿州市耕地整治潛力較大，自然質(zhì)量潛力較高區(qū)域分布于東北和西部，耕地利用水平中等，利用質(zhì)量潛力較高區(qū)域分布于西部、東部和北部，經(jīng)改善后的國家自然等、國家利用等潛力均有所提升。

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